先進的車輛控制系統(tǒng)解析課件

1、智能交通系統(tǒng)(ITS)1第四講智能交通系統(tǒng)的主要內(nèi)容2第五節(jié) 先進的車輛控制系統(tǒng)AVCS3概 述1.先進的車輛控制系統(tǒng)的涵義先進的車輛控制系統(tǒng)(AVCS, Advanced Vehicle Control Systems)是借助車載設備及路側、路表的檢測設備來檢測周圍行駛環(huán)境的變化情況，自動控制駕駛以達到行車安全和增加道路通行能力目的的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的本質就是在車輛 道路系統(tǒng)中將現(xiàn)代化的通信技術、控制技術和交通流理論加以集中，提供一個良好的輔助駕駛環(huán)境，在特定的條件下，車輛將在自動控制下安全行駛。其目的是開發(fā)幫助駕駛員實行車輛控制的各種技術，從而使汽車安全高效行駛。4概 述AVCS的核心內(nèi)容是智

2、能汽車的研究與應用，這種汽車具有道路障礙自動識別、自動報警、自動轉向、自動制動、自動保持安全距離、車速和巡航控制功能。目前，許多汽車制造公司已在他們的產(chǎn)品中使用巡航控制系統(tǒng)，系統(tǒng)允許駕駛員在不用踩腳踏加速器的情況下，保持一個預定的均勻速度。5概 述這對在交通量較小的道路上長途駕駛特別有用。當需要剎車和改變方向時，需要脫離巡航控制，還原為人工駕駛。巡航控制是AVCS的一種有限的功能。更高度的自動化駕駛將使車輛自動操作，這種車輛上裝有各種傳感器及通訊等設備，能夠自動定位及探測道路上的障礙物，能夠自動保持車輛間的安全距離，并能控制速度和方向，從而實現(xiàn)汽車安全行駛。6概 述AVCS另外一個顯著的優(yōu)點是

3、車輛可以以很小的間距和均勻的速度在裝有特定設備的專用車道上行駛，這樣在不發(fā)生擁擠效應的情況下，在相同的車道空間內(nèi)，可以具有更高的車流密度，從而大大提高通行能力?？傊?，AVCS是應用傳感技術、計算機技術、車載控制技術及定位技術等，使車輛安全、高效、自動行駛的自動控制系統(tǒng)，可以大大提高駕駛員的安全系數(shù)和行車效率。AVCS將是一個長期發(fā)展領域，也是 ITS技術中最復雜、最難實現(xiàn)的技術之一。7概 述2. 發(fā)展AVCS的目的19世紀以來，隨著內(nèi)燃機的誕生，人們發(fā)明了最現(xiàn)代化的交通工具汽車。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，汽車技術性能有了很大的提高，從而使汽車運輸成為五種運輸方式中的主要方式。與此同時，隨著汽車數(shù)目

4、的大幅度增加，也帶來了大量的負面效應，例如交通事故率上升、塞車、噪聲、環(huán)境污染和能源消耗等。8概 述這一現(xiàn)實迫使人們改變以往單純依靠增修道路或限制發(fā)展等辦法來改善公路交通狀況的思路，進而尋求采用高新技術來提高汽車性能，以解決因需求增長而帶來的道路交通公害問題。而AVCS作為 ITS重要的組成部分，其重點是提高汽車行駛的安全性，通過減少可能發(fā)生的交通事故來提高交通通行能力，從而達到減少交通公害的目的。9概 述過去對汽車行駛安全的研究，所采取的措施大多是被動方法，例如，研究如何減少傷亡，如何減少事故的損失等。這些被動措施的采取無助于從根本上解決汽車安全問題。而AVCS則是主要采取主動措施，汽車靠電

5、子裝備實現(xiàn)智能化，以其自身的智能來獲取行駛環(huán)境信息，并加以判斷，必要時系統(tǒng)自動控制車輛行駛，從而排除駕駛人員主觀分析、判斷的失誤，從而達到避免事故發(fā)生的目的。10概 述實施AVCS將會帶來如下好處:(1)增加公路的通行能力，減少道路阻塞，縮短行車時間。AVCS能使運行的車輛保持合適的最小跟車間距，保持車流穩(wěn)定地前進，縮短行車耗時，緩解交通擁擠，提高道路利用效率，增加公路的通行能力。11概 述(2)降低事故率，提高行車安全AVCS可以通過顯示或預警裝置，給駕駛員提供足夠的交通信息，幫助駕駛員作出正確的駕駛操作決策，在AVCS高度完善的情況下，可以將人工駕駛轉為自動控制，防止因駕駛員疏忽和機件故障

6、造成的交通事故，并可提供適當?shù)陌踩雷o，當最終實現(xiàn)自動駕駛時，將完全排除人為因素而導致的交通事故，從而實現(xiàn)高效安全的行車秩序。12概 述(3)降低行車成本，提高行車效率在AVCS控制下，可以保持車流的順暢，減少交通阻塞，減少由于車輛滯留在道路時間過長而導致的消耗過多，以及減少因頻繁的踩油門與剎車所造成的能源消耗，提高行車能源利用效率。(4)降低廢氣排放量，減輕環(huán)境污染當車流順暢、穩(wěn)定地向前行駛時，排放的廢氣、噪聲等環(huán)境污染較少，可達到減輕環(huán)境污染的效果。13先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能AVCS的基本功能系統(tǒng)主要包括:安全預警系統(tǒng)防撞系統(tǒng)視覺強化系統(tǒng)救難信號系統(tǒng)車輛行駛自動導航系統(tǒng)環(huán)保系統(tǒng)14先

7、進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能1.安全預警系統(tǒng)AVCS中的車輛安裝的車載設備，具有事故規(guī)避功能，包括安裝在車身各部分的探測雷達、紅外雷達、盲點探測器等設施，由計算機控制，在超車、倒車、更換車道、大霧、雨天等易發(fā)生事故的情況下，隨時以聲、光等形式向駕駛員提供車體周圍必要的信息，并可以自動和半自動采取措施，從而有效地防止事故的發(fā)生。15先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能另外車載設備內(nèi)，還可以存儲大量有關駕駛員個人和車輛各部位的信息參數(shù)，對駕駛員和車輛進行隨時檢測調(diào)控。如當檢測到駕駛員體溫下降時，這通常表明駕駛員開始打磕睡，就會發(fā)出報警，提醒駕駛員注意，并采取措施。當檢測到車內(nèi)空氣中酒精含量超標時，就會自動鎖

8、住發(fā)動機。它對汽車主軸轉速、軸溫、燃油狀況、輪胎氣壓、尾氣排放等參數(shù)情況進行監(jiān)控分析，必要時向駕駛員發(fā)出報警信號，可以預防事故的發(fā)生等。使原來很多由駕駛員人工關注的工作改由計算機完成，大大提高了汽車運行的安全程度。16先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能目前，具有安全預警功能的汽車，已由一些國家研制成功。例如，在日本豐田汽車公司研制成功的“豐田高級安全汽車”，它是根據(jù)日本政府“提高汽車的智能和安全性的高級汽車計劃”，生產(chǎn)滿足汽車的主動和被動安全要求的一部分工作。它具有駕駛員困倦預警系統(tǒng)、輪胎壓力預報系統(tǒng)、發(fā)動機預報系統(tǒng)、車前燈自動調(diào)整系統(tǒng)、自動剎車系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等等，其中有些單項設備已投入市場。17先

9、進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能2.防撞系統(tǒng)(1)縱向防撞系統(tǒng)縱向防撞系統(tǒng)主要是通過安裝在車輛前后的磁性傳感器和路面上安裝的磁標相互作用或雷達探測器等的探測作用實現(xiàn)的，具體操作過程是利用傳感器分別探測前后潛在的碰撞隱患或即將發(fā)生的碰撞事故，為駕駛員提供及時的回避操作指令，并自動控制車輛的加減速控制系統(tǒng)以保持適當安全車距，防止車輛與車輛、車輛與其他障礙物之間的正面和追尾碰撞。例如，雷達能判斷和測試駕駛車輛相距另一輛車多遠和相對于其他車輛的速度，如果車輛之間的距離小于安全距離，可以用亮燈或聲音警告，也可以啟動自動剎車以保持車輛之間的安全距離和車速。18先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能(2)側向防撞系統(tǒng)側向防

10、撞系統(tǒng)主要是利用車輛左、右兩側的傳感器分別探測車輛兩側的路況，從而為欲改變車道和駛離道路的車輛提供適當?shù)膫认虬踩g距，防止或減少兩部或多部汽車發(fā)生側撞，或駛離道路的車輛與路側障礙物發(fā)生側撞。(3)交叉口防撞系統(tǒng)交叉口處是碰撞事故發(fā)生的多發(fā)點。交叉口防撞系統(tǒng)主要是當車輛駛近和通過信號控制的交叉口時，將車載設備及通信系統(tǒng)所獲得的情報進行處理后，判斷出是否有發(fā)生事故的危險，據(jù)此對車輛進行控制，維護行車安全。19先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能3.視覺強化系統(tǒng)系統(tǒng)要求有車載式檢測設備、屏幕顯示設備及計算機處理設備，對檢測信息進行處理，并以適當?shù)?、有助于駕駛員理解的方式顯示信息于屏幕上，這有助于增強行駛環(huán)境

11、的可視性，對潛在信息(即具有隱蔽性的信息，如未按正常規(guī)律行駛的汽車，超高不足的彎道等)、微弱信息(即不易被察覺的信息，如黃昏、大霧或雨天等環(huán)境造成難以看清的障礙物等)加強視覺可知性，可大大提高汽車駕駛員對路況的觀察及判斷力，使駕駛員更好地遵守交通規(guī)則，從而提高汽車行駛的安全性。20先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能4.救難呼救系統(tǒng)救難信號呼救系統(tǒng)(Mayday Systems)是為了縮短事故響應時間，提高事故處理效率，盡量減少事故損失而研制開發(fā)的AVCS系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由GPS定位技術和GSM通訊技術及顯示事故的電子地圖等設備組成。當事故發(fā)生時，碰撞傳感器會自動發(fā)出一個包括由GPS確定的

12、車禍位置的無線電信號，由GSM技術完成車輛與反應中心的信息傳輸。反應中心的電子地圖可以準確地顯示出信號位置 事故發(fā)生的地點。在AVCS中，車輛應用救難信號系統(tǒng)以后，緊急事故處理的響應時間可以減少45 %，幸存率可以增加7%12 %，也可以大大地減輕受傷的嚴重性。21先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能5.車輛行駛自動導向系統(tǒng)目前，各發(fā)達國家均大力研究汽車的導航系統(tǒng)，這也是智能汽車的一個組成部分。它由全球定位系統(tǒng)(GPS)、路側通訊技術(GSM)技術、網(wǎng)絡技術、電子地圖、咨詢引導系統(tǒng)組成，通過它尋找最佳行車路線，避開交通擁擠和發(fā)生事故的路段。駕駛員可以將目的地輸人車內(nèi)的電腦，提出要求，電腦便根據(jù)道路情況

13、、紅綠燈數(shù)、速度限制等，選出最佳路徑，并顯示在電子地圖上。它不僅使車輛避開擁擠阻塞的路線，還可以幫助疏散車輛，減輕駕駛人員心理負擔，提供安全、舒適的行車環(huán)境。22先進的車輛控制系統(tǒng)的基本功能6.環(huán)保系統(tǒng)在智能汽車中，還有智能環(huán)保系統(tǒng)，由電腦檢測控制燃油、排放等情況，以取得最佳排放效果。除此之外，目前各國還在大力發(fā)展研制太陽能、天然氣、氫氣等各種無污染的新能源汽車。另外，還研究開發(fā)低噪聲汽車以減少噪聲污染。智能汽車環(huán)保系統(tǒng)的研制與開發(fā)，是 AVCS研究開發(fā)的重要領域，可以減少排放及噪聲污染，提高汽車的運行效率。23先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理1.實施AVCS的相關技術(1)決策和控制技術

14、此項技術利用車載微型計算機作為決策和控制中心，對收集來的車況、路況、環(huán)境等各類信息加以綜合利用分析處理，以便做出最佳控制實施方案，并自動控制車上各個系統(tǒng)。(2)行駛狀態(tài)監(jiān)控技術此項技術的應用，可以監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)及工作狀態(tài)，如輪胎壓力、軸速、軸溫等，還可檢測出駕駛員的狀況等，為決策提供必要的參數(shù)。24先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理(3)信息顯示技術和通信技術利用LED,LCD或CRT等顯示設備，作為文字、圖形顯示和狀態(tài)指示，提供完善的信息給駕駛員。通信技術主要是利用無線電頻道的規(guī)劃與分配，配給調(diào)頻技術，準確無誤地傳輸語音、數(shù)據(jù)和圖像等信息。(4)環(huán)境監(jiān)測技術環(huán)境因素對汽車行駛產(chǎn)生的影響

15、很大，近10%的交通事故與環(huán)境因素有關，因此，利用有關的環(huán)境監(jiān)測技術，可以隨時檢測出溫度、風力、濕度等天氣狀況，廢氣排放等環(huán)境污染等情況。25先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理(5)路況檢測技術路況檢測主要應用于AVCS專用車道上，包括同軸電纜、磁性標記等。2. AVCS的結構和工作原理一個完整的AVCS是由智能車、智能車和輔助專用道路之間的通信系統(tǒng)以及智能車與智能車之間的通信系統(tǒng)所組成。其智能控制主要是通過利用智能車的智能來處理所提供的道路交通等信息而實現(xiàn)。從本質上講AVCS就是由專用車道及智能汽車有機結合而形成的一個完整的運行系統(tǒng)。智能車的基本結構如圖4.5.1所示，基本工作原理如圖4.

16、5.2所示。26先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理27先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理28先進車輛控制系統(tǒng)的基本結構及工作原理AVCS發(fā)展的最終目標是實現(xiàn)車輛的自動駕駛，主要包括兩方面的內(nèi)容，即行駛速度和行駛方向的自動控制。29先進的車輛控制系統(tǒng)案例目前，AVCS的發(fā)展主要處在開發(fā)階段，這在美國、日本和歐洲都差不多，各國都已有了許多AVCS的研究開發(fā)活動。下面就各個國家的發(fā)展狀況，介紹一些典型的應用及研究實例。1.美國的PATH項目PATH項目是由美國加利福尼亞州支持的一個技術研究項目。在此項目中，AVCS的研究側重于技術上的研究與系統(tǒng)集成。從系統(tǒng)集成角度出發(fā)，PATH項目的研究工作分為

17、兩類:縱向行駛控制系統(tǒng)和橫向行駛控制系統(tǒng)的研究。對于每一系統(tǒng)，研究項目都包括系統(tǒng)概念分析、系統(tǒng)配置、操作測試與演示和發(fā)展完善三個方面。30先進的車輛控制系統(tǒng)案例對于橫向控制，PATH研究者主要設計了由路面參考線和車輛傳感器組成的橫向控制系統(tǒng)。路面參考線包括一系列安裝在車道中間每隔一定距離(PATH項目中間距為1米)的永久性磁釘。車上安裝了四個磁性傳感器，兩個放在縱軸上，另外兩個傳感器放在保險杠下面，一邊一個，離中間的傳感器大約30 cm。這四個傳感器測得的數(shù)據(jù)被傳輸給計算機處理中心，處理結果將作為橫向控制的依據(jù)。橫向控制系統(tǒng)的作用是:在保證行駛質量的情況下，保證駕駛員和乘客的舒適性，使車輛運行

18、盡量靠近路中線。31先進的車輛控制系統(tǒng)案例在 PATH系統(tǒng)中，放在中間的兩個磁性傳感器檢測路中央永久磁釘產(chǎn)生的水平和豎直方向的磁場，由此測定車輛中心線的位置。另兩個在保險杠上的傳感器測磁場豎直方向的分量。它們讀取一系列磁場的極性，來提供道路幾何信息，包括前方道路的半徑和曲率等信息，幫助控制系統(tǒng)獲得一個平穩(wěn)的行駛。1990年，PATH項目和IMRA America公司聯(lián)合進行了一個較大規(guī)模的AVCS試驗。試驗裝置包括裝有磁鐵參考線的道路系統(tǒng)和試驗車等。試驗道路設在加州大學伯克利分校的一條480米長的試驗路上，由兩直線段和一個半徑為9米的圓曲線組成，試驗車裝有航向傳動裝置、磁傳感器和電腦控制臺等裝

19、置。32先進的車輛控制系統(tǒng)案例磁感應系統(tǒng)的測試表明，車輛位置離中心線25 cm時，系統(tǒng)誤差為1 cm,當偏離量達到40 cm時，系統(tǒng)將報警。當速度從20 km/h到60 km/h，在曲線上達到的最大速度為50 km/h。這些測試表明，車輛在具有磁性標志的車道上行駛時，最大偏差為1015 cm。另外，為考慮全面性，在不理想的條件下也進行了測試。這些不理想條件包括增大裝載重量、減小輪壓、路面光滑、不正確的磁源位置和丟失磁釘?shù)取＼囁俣?0 km/h。測試結果表明，即使在不理想的狀況下，車輛在試驗路上的偏差也只是稍稍增加?？傊囼炞C明了系統(tǒng)概念和橫向控制算法的正確性。33先進的車輛控制系統(tǒng)案例PA

20、TH項目的縱向控制是基于車隊的綜合聯(lián)動控制的研究。車隊聯(lián)動運用了車輛之間的縱向最小距離概念，PATH項目的設計者對其進行了模擬和試驗。綜合聯(lián)動控制系統(tǒng)包括一臺電腦、一個通信系統(tǒng)、一個雷達系統(tǒng)、傳感器和傳動設備。傳感器測車速、加速度、油門角度、剎車壓力和入口常壓溫度。這些傳感器測得的數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后，產(chǎn)生剎車和油門傳動的控制信號。34先進的車輛控制系統(tǒng)案例在PATH試驗的開始階段，試驗用的小汽車裝備了VORAD安全系統(tǒng)提供的雷達裝備，實驗時共用了4輛這樣的小汽車。雷達系統(tǒng)提供中間車輛與前面車輛相對距離和距離比例，控制算法所需要的數(shù)據(jù)參照頭車行駛的狀況確定，這些數(shù)據(jù)由一個二波段無線頻道在902 -

21、 928 MHz發(fā)送。速度和加速度值以120 kbit/s速率傳送。后面的車輛使用這些測量值計算剎車或加減速的控制信息。35先進的車輛控制系統(tǒng)案例在一段11公里的路上，試驗車以勻速行駛，領頭車通過巡航控制，中間尾隨車輛進行聯(lián)動控制，分別以車間距21 m,15 m和9.14 m進行測試。在領頭車從25 m/s到34 m/s進行加減速時，還進行了其他的一些試驗。此項試驗表明，AVCS能保證平穩(wěn)行駛，并能用于標準化生產(chǎn)的小汽車。1997年在DEMO 97的演示中PATH試驗車的自動駕駛表演更是令人嘆服。36先進的車輛控制系統(tǒng)案例2.日本的先進的安全汽車ASV日本的先進的安全汽車ASV ( Advan

22、ced Safety Vehicle)項目是以安全技術為中心、謀求汽車智能化的國家性項目。1991年，由運輸省、學者和汽車制造商組成的ASV推進研討會發(fā)起了這個聯(lián)合項目，1991 - 1995年完成了它的第一期研究開發(fā)計劃，之后進行它的第二期計劃。第二期計劃的推進體制已經(jīng)包含了所有政府部門。37先進的車輛控制系統(tǒng)案例第一期的ASV進行了4個領域20個系統(tǒng)的技術開發(fā)，如“事故預警技術”中的輪胎氣壓警報系統(tǒng)和磕睡中駕駛警報系統(tǒng)，“事故規(guī)避技術”中的車間距離控制系統(tǒng)，“沖突時的損害減輕技術”中的車輛沖擊吸收結構，“沖突后的防止災害擴大技術”中的滅火、解除門鎖裝置等系統(tǒng)。下面通過幾個例子來說明ASV的

23、先進安全技術。38先進的車輛控制系統(tǒng)案例(1)輪胎氣壓警報系統(tǒng)因為在高速公路上汽車輪胎的異常是與重大事故密切相關的，所以必須在輪胎爆裂之前就將它的異常檢測出來。和一般道路不同，在高速公路上不能停車檢查，故在高速運行中，在車內(nèi)不斷檢測輪胎空氣壓力、將事故防范于未然很有必要。豐田汽車裝備的輪胎氣壓警報系統(tǒng)，當輪胎的空氣壓力下降時，就向駕駛員發(fā)出警告。它是利用輪速傳感器測量各車輪的旋轉速度的變化，然后計算比較，從而發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓的下降，發(fā)出警報。該系統(tǒng)的特點是可以同時檢測 4個輪胎的空氣壓力變化。39先進的車輛控制系統(tǒng)案例(2)磕睡中駕駛警報系統(tǒng)該系統(tǒng)是以檢測駕駛員的磕睡狀態(tài)(意識低下狀態(tài))，在使處于

24、磕睡狀態(tài)的駕駛員清醒的同時，當駕駛員陷于不能安全駕駛時使車輛自動停下，試圖減少事故為目的的系統(tǒng)。通過檢測行駛狀態(tài)和通過檢測駕駛員的生理狀態(tài)來檢查駕駛員是否處于磕睡狀態(tài)的方法很不相同。前一方法是:為測定修正操舵周期使用操舵角傳感器;為檢測對道路白線的偏移使用CCD攝像機;為檢測車速的變化用車載導航器的速度傳感器。40先進的車輛控制系統(tǒng)案例后一方法是:使用戴在駕駛員手腕上的心率傳感器測其心率變化;使用CCD攝像機監(jiān)視駕駛員的眼睛的運動。以上各傳感器檢知的信號由車載計算機處理，當超過了限定值時可判斷為磕睡狀態(tài)。此外，防止磕睡中駕駛的方法還有:通過內(nèi)部儀表盤上的顯示器用光、聲形式發(fā)出警報，敦促駕駛員停

25、車休息;通過坐席振動或駕駛操縱桿振動或散發(fā)令人清醒的香氣，提高駕駛員的清醒度;警告后若駕駛員仍處于危險狀態(tài)的情況下，或者車輛自動操舵，或者一邊向周圍車輛發(fā)出危險燈信號促使其注意、一邊自動剎車。41先進的車輛控制系統(tǒng)案例(3)車間距自動控制系統(tǒng)本田汽車裝備的車間距自動控制系統(tǒng)具有檢測駕駛橫向擺動的功能。它是通過車載導航器的檢測前進方向用陀螺儀檢出車輛是否在晃動著前進。類似地，ASV中有好多功能并不是靠安裝新的專用裝置，而是利用已有的裝置(如車載導航器)來實現(xiàn)。該車間距自動控制系統(tǒng)就是省去CCD攝像機，使用激光高性能雷達，綜合運用各種傳感器來檢測車間距，這樣花費7萬日元就可實現(xiàn)檢測車間距的功能，使車間距自動控制系統(tǒng)的費用降到原來